在可預見的未來無法直接驗證弦理論,弦理論家走的是一條不歸路?

2020-12-04 天文同好樂園

「弦理論」名稱的由來是振動的基礎「弦」,它也是最初構建該理論的核心。弦理論認為,量子理論中所有基礎的亞原子粒子都存在於弦理論中,它們是由弦的振動而來,弦的不同的振動對應不同的亞原子粒子。這一點非常像是從振動的小提琴琴弦產生出的不同的音符。從原則上來說,理論中構想的由弦振動產生粒子的模式應該可以通過實驗來驗證,只有通過實驗驗證得到明確的、肯定的證據,才能認為這個理論是成功的。

但是,弦理論家們似乎並不是這樣想的。他們似乎想依靠純粹的、優美的數學模型來詮釋弦理論,而非通過實驗驗證。當代很多著名的物理學家都承認弦理論的確是一個優美的理論,而且它似乎也最有可能成為終極的統一理論——一個包含廣義相對論與量子力學的量子引力理論。但也有許多物理學家們認為,純粹依靠理論並不能夠破解弦理論的僵局,如果無法得到實驗驗證,如何才能證明理論是正確的?在尋找統一理論這個目標上,愛因斯坦和格拉肖用的方法和弦理論用的方法如出一轍,但他們都失敗了,弦理論家很有可能也是選擇了一條不歸路!

雖然愛因斯坦確實是藉助於數學最終完成了廣義相對論,這也導致他職業生涯的後期更具有數學傾向,認為數學能解決一切問題。但很顯然,廣義相對論之所以能夠被大眾接受,一個重要的原因是這個理論中有很多方面都是可以被實驗驗證的,比如光線的彎曲。然而,儘管愛因斯坦將數學成功地應用到了廣義相對論中,但當他後期試圖建立新的統一理論——量子引力理論時,依靠數學研究從從來未能取得成果。

同樣的例子也出現在謝爾登·格拉肖身上。格拉肖提出了大統一理論,運用的方法和愛因斯坦類似,即用純理論構建。但有一點與愛因斯坦不同,格拉肖的大統一理論作出了可以被檢驗的預測,這個理論預測了質子的衰變,而質子的衰變是能夠被觀測到的。於是實驗物理學家們建造了巨大的池子,其中裝滿了被測材料,希望其中哪怕有一個質子發生衰變而記錄下可見信號。然而最終什麼都沒有發生,從而大統一理論也被否決了,格拉肖重蹈愛因斯坦的覆轍,也失敗了。

弦理論也會這樣嗎?很難說。除了量子理論中的所有粒子,弦理論還預言了會出現新的粒子,假如未來能夠在大型強子對撞機中發現弦理論預言的新粒子,那麼毫無疑問弦理論成功了。但是,根據理論,絕大多數粒子很可能因為太重、對撞機能標達不到而不可能被觀測到,這就成了一個無法破解的死結。另外,在當前的弦理論構建的模型裡,包含了太多的粒子、太多的相互作用、太多的維度,遠遠超出在我們這個真實世界所能檢驗的能力範圍。那麼,弦理論最終還能夠走多遠?

相關焦點

  • 額外維度是直接驗證弦理論的「攔路虎」,但還有五點可間接驗證
    存在額外維度的思想本身就有違常人的認知,再加上又不能被直接驗證,這也是導致弦理論的發展四面楚歌、舉步維艱的根本原因。縱觀整個人類的物理學發展史,其實與弦理論類似的情況比比皆是。很多理論在剛提出時似乎完全不可能證實,但在理論發展的過程中往往會出現意想不到的情況,最終還是通過直接的或間接的實驗證實了。
  • 弦理論
    更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測,關於這一點,以下內文會說明。但根據維內奇諾本人的說法,這個函數是他多年努力的結果,而那些「偶然發現」以及「從數學書中發現」的傳言令他本人很不高興。 不久後李奧納特·薩斯坎德發現,這函數可理解為一小段類似橡皮筋那樣可扭曲抖動的有彈性的「線段」,這在日後則發展成「弦理論」。目前弦論學家普遍認為強子散射振幅公式是弦論的開端,此一公式即來自於Γ函數與B函數,描述兩個強子一開始是兩條弦,然後融合成一條,再分裂出兩條。
  • 弦理論可能被驗證嗎?我們又該如何看待對弦理論的批評?
    當今在物理學上主要、且唯一有可能成為萬物至理的物理理論是弦理論,這已成為眾多具有前瞻性眼光的物理學家們的公認。但是,反駁的聲音也如影隨形,從沒有停歇過。有反對者曾用諷刺的口吻稱:「要想在頂級大學謀得終身職位,你就必須研究弦理論,如果不這樣,你就會被解僱。」
  • String Theory 弦理論
    比較起來,「弦理論」的基礎是「波動模型」,因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述「弦」狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。值得注意的是,弦理論目前尚未能做出可以實驗驗證的準確預測,關於這一點,以下文會說明。
  • 弦理論到底在說啥?
    在這樣的背景下,有物理學家提出了弦理論,認為它是能夠統一這兩大學說的「萬有理論」。你聽說過弦理論嗎?它真的能解答宇宙的終極問題嗎?為什麼要用弦來代替粒子作為萬物基元,而不是其他東西?弦理論所提出的高維空間真的存在嗎?它可以被證實嗎?關於弦理論,你不知道、想知道的,都在這裡!
  • 跳出弦理論的陷阱,曾經的弦理論家揭露弦理論圈內真相
    曾經有一個權威統計,說過去的20多年裡,只要是做量子引力理論的助理教授們,如果不以弦理論或高維理論為基礎,沒有一個能被美國相關大學錄用,弦理論的風靡程度由此可見一斑。細心的讀者可能會從文章的標題上猜測作者可能是一個「反弦論者」,在這裡筆者也不諱言,自己曾經是弦理論的擁躉,但現在不是!
  • 弦理論和M-弦理論
    ( 在任何結合廣義相對論與量子力學的量子引力理論中,若在時間短於普朗克時間、距離小於普朗克長度的尺度下,我們傳統上對時間、空間的標示將會全盤瓦解。 )如今,在普朗克尺度中,一切理論都只是純理論。    在弦理論之前, 量子力學和廣義相對論是二十世紀兩個非常成功的理論,但令人驚訝的是這兩個理論在現有的框架下是相衝突的。
  • 為什麼會有弦理論
    我這裡所說的「弦理論」,並不是單指早期的「玻色弦理論」,或「超弦理論」,而是包含「M理論」在內的所有弦理論,可以說是廣義上的弦理論,另外因為這個理論不像,相對論和量子力學那樣成熟,它相對來說比較前沿,為什麼會出現這個弦理論,在一向重視實驗的物理學中。
  • 為什麼弦理論不是科學理論?
    定義科學有非常多鍾方法,但也許每個人都可以同意的一個方法是:1.收集有關自然界或特定現象的知識;2.提出了關於該現象的合乎自然規律和物理解釋的可檢驗假設;3.對假設進行檢驗,驗證或推翻它;4.並且構建了一個總體框架或科學理論來解釋該假設
  • 為什麼弦理論不是科學理論
    有很多不同的定義科學的方法,但也許每個人都同意的一個方法是:關於自然世界或某種特殊現象的知識被收集起來,一個可測試的假設是關於對這種現象的自然的,物理的解釋,然後這個假設被驗證,或者被證實或者被證偽,一個包羅萬象的框架——或者說是科學理論——被構建來解釋這個假設並對其他現象做出預測
  • 一統宇宙的弦理論,為何從愛因斯坦去世至今未被發現?
    這個驚奇卻又美麗的概念,已被許多精密實驗所驗證。既然空間與時間的動力學已經成功取代重力,我們為何不去尋找其他作用力的本質、甚至基本粒子譜的幾何解釋呢?這項追求確實佔據了愛因斯坦的大半輩子。他特別注意到德國人卡魯扎與瑞典人克萊恩的研究,他們倡議重力可反映出熟悉的四個時空維度,而起源於額外第五維度幾何的電磁力,則因為太過渺小,至少到目前為止無法直接看到。
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    弦理論家認為不是。所有的我們今天所知道的基本粒子,比如電子、夸克或中微子,都是由一種弦組成的。正如小提琴琴弦不同的振動方式可以奏出不同音高一般,基本粒子也是通過弦的不同振動狀態變成電子或夸克的。【2. 是誰提出弦理論的?】弦理論有一個不尋常的歷史。
  • 弦理論中,弦為什麼必須振動呢?它為什麼振動?
    弦理論中,弦為什麼必須振動呢?它為什麼振動?我曾經回答過,如何簡單的通俗的講講弦理論,要進一步解釋這個原因,我們得稍微複習一下前文。天才的費曼曾經這樣評價:「我們確實知道它是有點兒錯的,或者至少是不完整的」。標準粒子模型無法滿足吃瓜群眾,於是,有高手靈光一閃,提出一個更猛的命題,宇宙的本質是什麼?結果整出來——弦理論。別說玄幻,這一下子,在數學上是完成了形式上的統一了。
  • 弦理論簡說
    要看一個東西,我們需要光,一種電磁波,這種波遇到物體表面然後被反射回來進入你的眼睛,這段波攜帶了大腦用於產生圖像的信息,所以你不與那個物體以某種方式進行接觸便無法看到它,看」便是接觸,是一個主動而非被動的過程,這點對於大多數物體來說不算問題,但是粒子非常非常非常小,小到我們用於「看」的電磁波對於它們來說都太大難以碰到它們了,可見光只能與它們擦肩而過,我們可以通過製造更多更短波長的電磁波來解決這個問題
  • 既無法證實又無法證偽,弦理論還能走多遠?
    但隨著科技的發展,用來驗證物理理論的實驗裝置的精度越來越高,上面兩個基礎理論中的瑕疵也逐步顯現:任選其一,都無法描述整個宇宙,一個完整統一的大自然,為何需要兩個不同的理論來解釋?同時,它認為構成物質世界的所有基本粒子都是源於同一個服從基本定律的實體的振動,即「弦」的振動。基於這一點,弦理論宣稱它統一了大自然所有的粒子和所有的基本力。在弦理論家的嘴裡,弦理論似乎就是一個能包打天下而又無所不能的「萬有理論」。
  • 宇宙的終極理論?弦理論以及它的11維時空
    這顯然是不合理的,因為我們存在於一個宇宙,應該有一個普遍適用的物理學規則,那麼有沒有一個理論能同時包含量子力學與廣義相對論的永恆理論呢?弦理論應運而生。玄理論,萬物的終極原理?以及其涉及的11維空間在以前,主流科學認為粒子是點,和弦一點也不搭邊。
  • 弦理論簡說
    要看一個東西,我們需要光,一種電磁波,這種波遇到物體表面然後被反射回來進入你的眼睛,這段波攜帶了大腦用於產生圖像的信息,所以你不與那個物體以某種方式進行接觸便無法看到它,看」便是接觸,是一個主動而非被動的過程,這點對於大多數物體來說不算問題,但是粒子非常非常非常小,小到我們用於「看」的電磁波對於它們來說都太大難以碰到它們了,可見光只能與它們擦肩而過,我們可以通過製造更多更短波長的電磁波來解決這個問題
  • 十個問題帶你認識弦理論
    所有的我們今天所知道的基本粒子,比如電子、夸克或中微子,都是由一種弦組成的。正如小提琴琴弦不同的振動方式可以奏出不同音高一般,基本粒子也是通過弦的不同振動狀態變成電子或夸克的。【2. 是誰提出弦理論的?】弦理論有一個不尋常的歷史。在1960年代,Gabriele Veneziano想要知道在原子核內的粒子的行為,以及構成中子和質子內的夸克是如何束縛在一起的。
  • 物理學前沿之弦理論
    許多物理學家的夢想,包括愛因斯坦,都是為了找到一個統一的理論來描述所有的自然現象。在過去幾十年,就有這樣一個理論出現了:弦理論。特別是,發展到後來的M理論。在M理論中,物質不再是由標準模型中所認為的點粒子組成的,而是由一維的振動弦構成的,並且是在11維的時空內。這些弦的不同振動方式代表了不同的基本粒子。
  • 弦理論到M理論,你知道弦理論的發展軌跡,和弦理論的科學依據嗎
    畢竟沒有科學證據能夠證明,宇宙大爆炸實實在在的發生過,同時現在的科學家開始有了一系列新的發現,弦理論就是在這個基礎上,逐漸的開始發展起來,隨著我國科教頻道的一個紀錄片出現,弦理論更加引起大家的注意。所以弦理論幾乎處於一個停滯的階段,這讓科學界對於弦理論是否正確,開始提出了一系列的質疑。隨著科學的不斷發展,重離子和超重力開始出現,此時弦理論終於找到了一些依據。一九八零的時候終於第一個超弦理論模型出現了,這個科學研究帶來了一個新的變化。